船舶机舱LED灯散热性能与环境因素关系仿真研究

刘涛 罗聿斌 董宁 应慧娟

摘 要：大功率LED体积小，芯片温度短时间内急剧升高，使得大功率LED散热一直是半导体照明的研究重点。船舶在水面航行，长期处于高温、高湿及各种不同的摆动环境中。因此，船用照明设备在可靠性及可维护性方面要求更高。文章针对LED芯片发热严重的问题，选用一款额定功率15W的LED灯为参考模型，运用三维建模软件UG建立LED灯具模型，借助CFD工程软件FLOEFD.NX8.5进行求解，将仿真结果与实验测试数据对比，验证软件使用的可靠性。最后，采用FLOEFD.NX8.5软件分析船舶机舱不同温度、湿度及通风风速对LED灯具芯片结温性能带来的影响，为船舶LED照明灯的设计提供参考。

关键词：LED灯;高温;散热;仿真

中图分类号：TM923 文献标识码：A 文章编号：1674-1064（2020）09-0004-04

目前，船用LED照明灯具主要有船顶灯、蓬顶灯、角灯和投光灯等[1]。其中，当前单LED芯片的功率已经达到或超过5W，大概只有20%～30%的输入电能转化为光能，剩余70%～80%的能量以点阵振动的形式转化为热能，散发到外界环境中而浪费掉。若不加散热措施，则LED的结点温度会急速上升，当超过最大允许温度时，LED芯片会因过热而损坏[2]。于是，大功率LED光源的散热难题，成为制约产品产业化的瓶颈技术之一[3]。

船舶长期在高温度、高湿度的环境中运行，散热问题的研究有别于陆地环境，文章将针对船舶机舱环境，选取一款功率为15W的LED照明灯，通过CFD软件仿真实验，分析环境因素对LED芯片结温能造成的影響。

1 热传导控制方程

根据热量传递过程的物理本质不同，热量传递有三种基本方式：热传导、对流、辐射[4]。热量通过不同方式进行热交换传递，在很多实际热量传递过程中，三种传热方式通常同时出现。

在某一时刻，物体内所有各点在空间直角坐标系的温度场表示为，导热微分方程式如下：

（1）

式中：为物体密度，;为物体比热容，;为时间，;为物体导热系数，;为内热源强度，;为物体温度，;、、为坐标系的坐标值，。微分方程的等效积分形式如下：

（2）

式中：为体积单元;为散热器对流系数;;为散热器表面温度;为空气湿度;为热流边界;为对流换热面积。

对式（1），（2）有限元离散，得出稳态场求解温度的基本方程：

（3）

其中，为传导矩阵;为节点温度矩阵;为节点热流矩阵[5]。

根据导热方程式、边界条件与初始条件，利用迭代法或者消去法求解，得出热分析结果[6]。

2 LED灯具结构传热模型

热阻分为导热热阻和接触热阻，当未接触的空隙中充满空气或其他气体时，由于气体的热导率远小于固体，两个固体间的导热就产生了接触热阻。公式定义为温差与热流量之比，见式（4）。

（4）

就灯具接触热阻来说，通常包括：芯片热阻、基板热阻和冷却热阻。其中，随着芯片材料的发展，芯片热阻已降到6～12c/w，其在整个系统中占比不大;基板热阻与底座和基板的热接触面以及基板的导热能力有关，并随着基板技术的发展，这部分热阻已经小于散热器热阻[7];最后，由基板到散热器这部分存在的热阻称为冷却热阻。灯具整体热阻网格模型如图1所示。

其中，LED灯具总热阻可以表示为：

（5）

图2为AL5052热传导系数随温度变化曲线图。从图中可以看出，材料的导热系数随材料温度变化，导热系数也逐渐升高，但它们之间并不呈现线性关系，主要是受到变动热阻的影响。但当材料的温度达到273k以上时，导热系数曲线逐渐平稳，可以认为热阻为定值。考虑到点亮LED灯具后材料温度通常高于273k，因此CFD仿真计算中热阻可以根据材料类别考虑设为稳态值。

3 模型分析

3.1 实验测量

此款LED灯具吊装在机舱顶部，其由81颗LED串联组成，额定功率为15W，电光转换效率为15%。灯具点亮后，LED芯片产生的热量通过热传导的形式把热量传递给铝基板，铝基板通过导热硅胶与散热器相连，热量通过散热器传递到空气中，达到散热的效果。同时，为了起到防腐和美观的作用，在灯具散热器外表面进行了喷粉，喷粉的辐射系数为0.6，LED灯具实物图如图3所示。

在恒温为25℃的密闭实验室中点亮灯具2h，用Fluke红外热成像仪对准LED灯具散热器外表面进行温度测量。其中，测量过程中需要注意以下几点：保证仪器测量过程中热成像仪平稳、选择正确的测量温度范围、测量目标背景单一、焦距调整合理。实验测量结果如图4、图5所示。

3.2 实验仿真

灯具点亮后，温度会随时间变化而升高，直至达到热稳定状态，散热器温度会保持在最高温度值，全文采用稳态分析进行计算求解。在不同环境边界条件下，使用FLOEFD.NX8.5软件对该灯具模型进行材料参数设置、网格划分、加载热源、模型求解、温度场分析。LED灯具模型如图6所示，灯具材料参数如表1所示，温度场分布云图如图7所示。

3.3 结果对比分析

对比实验和软件仿真模拟的温度数据结果，不难看出，在实验测试中散热器最高温度为39℃，最低温度为36.5℃，而仿真计算中散热器温度最高为37.49℃，最低为33.73℃。考虑到实验仿真的模型进行了简单的结构优化，且模型采用较为理想的状态，面与面之间采用完全接触，减小了热阻，导致仿真计算的结果略低于实验测试结果2℃左右。因此，可以认为通过软件模拟计算可靠性高，能满足基本仿真计算要求。同时，也从另一方面说明，在软件计算过程中LED灯具参数设置的正确性，为下一节模拟计算奠定了基础。

4 环境因素分析

船舶机舱内的温度，夏季可达到50℃[8]，且长时间处于相当高的范围，过高的机舱温度会导致LED灯具与空气的对流减弱，对LED灯具的散热性能造成直接影响，进而影响灯具芯片结温。高湿度的机舱环境长期伴随LED灯具的照明，同时机舱处于船体底部，需要为设备及工作人员提供良好的通风环境。因此，也有必要针对湿度及通风风速对LED芯片最高温度的影响进行分析研究。

因此，本小节就采用FLOEFD.NX8.5进行求解计算，对LED照明灯的外部环境边界条件进行设置，计算分析不同边界组合时，环境因素对灯具芯片结温带来的影响。

4.1 环境温度对LED灯具散热效果的影响

设定机舱相对湿度为60%、气流流速0.2m/s，计算环境温度在30℃～50℃区间内的LED芯片温度变化情况。环境温度与LED芯片温度关系如图8所示。

从图8可以看出，当湿度及气流流速一定时，机舱环境温度为30℃时，LED芯片产生的最高温度为40.75℃;当环境温度为50℃時，芯片的最高温度为52.8℃。伴随机舱环境温度的升高，芯片的结温逐渐增大，且芯片结温的增幅随着环境温度升高呈现降低趋势。即环境温度越高，芯片结温增幅越小，二者成负相关的关系。

4.2 湿度对LED灯具散热效果的影响

设定环境温度为30℃～40℃，气流流速0.2m/s，模拟计算湿度范围在40%～80%时湿度值的变化与LED芯片最高温度的关系，如图9所示。

由图9可以看出，当环境温度为30℃时，湿度的变化对灯具芯片结温没有影响，LED芯片结温一直保持在40.75℃。同样，环境温度分别在35℃和40℃时，随着湿度的改变，结温分别保持在44.97℃和47.42℃，说明灯具芯片结温受周围环境湿度的影响微乎其微。

4.3 气流速度对LED灯具散热效果的影响

设定机舱环境温度为30℃～40℃，湿度为60%，气流速度范围为0.1m/s～0.4m/s，气流速度变化与LED芯片结温关系如图10所示。

由图10可以看出，不同环境温度情况下芯片结温均有所下降，且是环境温度与降幅成负相关的关系，即环境温度越高，芯片结温降幅越小。进一步说明气流流速加快时，灯具散热器与外界流体对流换热效果明显，灯具采取主动风冷散热有利于降低芯片结温，进而减小LED光衰，延长灯具的使用寿命。

5 结语

利用CFD仿真分析软件对LED灯具进行热分析，可以在产品设计前期就准确计算出灯具的温度参数值，减少灯具设计时间和成本花费。船用LED灯具相关影响因素的分析，对改善灯具结构和散热方式，提高船用LED照明灯具的安全性和可靠性具有指导性作用

参考文献

[1] 谢家纯.LED照明在未来船舶上的应用展望[J].上海造船，2011（04）：43-45.

[2] 高红星.大功率LED灯的散热分析及结构设计[D].西安：西安电子科技大学，2010.

[3] 李海波.大功率LED灯具的散热结构设计与仿真研究[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学，2012.

[4] 杨世铭，陶文铨.传热学[M].第三版.北京：高等教育出版社，2006.

[5] 陈唐荣.大功率LED灯具结构散热性能研究[D].厦门：华侨大学，2012.

[6] 王静，吴福根.改善大功率LED散热的关键问题[J].电子设计工程，2009，17（04）：18-20.

[7] 徐兴浪.大功率LED灯具主动散热装置研究[D].武汉：华中科技大学，2009.

[8] 林春熙.船舶机舱环境下PLC故障和应关注的几个问题[J].航海技术，1997（04）：58-60.